Simulazione in regime dinamico di edifici rappresentativi del parco edilizio italiano
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Agenzia nazionale per le nuove tecnologie, l’energia e lo sviluppo economico sostenibile MINISTERO DELLO SVILUPPO ECONOMICO Simulazione in regime dinamico di edifici rappresentativi del parco edilizio italiano F. Baldi, E. Genova, A. Gugliandolo, M.-A. Segreto, C. Romeo Report RdS/PTR2019/064
SIMULAZIONE IN REGIME DINAMICO DI EDIFICI RAPPRESENTATIVI DEL PARCO EDILIZIO ITALIANO F. Baldi, E. Genova, A. Gugliandolo, M.-A. Segreto, C. Romeo Con il contributo di: I. Falcone, I. Roselli, F. Saitta, M. Ricci, T. Susca, P. Sdringola, A. Tallini, A. Marzo, C. Tripepi, E. Genova, A. Di Micco, S. Tamburrino, A. Ciappa, E. Monno Dicembre 2019 Report Ricerca di Sistema Elettrico Accordo di Programma Ministero dello Sviluppo Economico - ENEA Piano Triennale di Realizzazione 2019-2021 - I annualità Obiettivo: N. 1 - Tecnologie Progetto: 1.6 - Efficienza energetica dei prodotti e dei processi industriali Work package: 2 - Miglioramento dell'efficienza energetica di processi di produzione e di gestione dell'ambiente costruito Linea di attività: LA 2.1 - Simulazione in regime dinamico di edifici rappresentativi del parco edilizio italiano Responsabile del Progetto: Miriam Benedetti Responsabile del Work package: Maria-Anna Segreto Si ringraziano i colleghi G. Puglisi (ENEA), M. Benedetti (ENEA) e G. Margareci (EGE e Libero Professionista) per il supporto alla stesura del presente Rapporto.
Indice INDICE ................................................................................................................................................................................. 3 INDICE DELLE FIGURE .......................................................................................................................................................... 4 SOMMARIO ......................................................................................................................................................................... 5 INTRODUZIONE ................................................................................................................................................................... 6 2 OBIETTIVI DEL PROGETTO ........................................................................................................................................ 11 2.1 IMPATTI SUL SISTEMA ELETTRICO E BENEFICI ATTESI ..................................................................................................... 12 3 DESCRIZIONE DELLE ATTIVITÀ SVOLTE E RISULTATI................................................................................................. 15 4 DEFINIZIONE DELL’EDIFICIO RICORRENTE ................................................................................................................ 16 4.1 DATI ATTI A DETERMINARE IL MODELLO..................................................................................................................... 16 4.1.1 Definizione dell’edificio ricorrente .............................................................................................................. 17 4.1.2 Riepilogo delle caratteristiche geometriche del modello ............................................................................ 21 4.1.3 Definizione delle zone termiche .................................................................................................................. 21 4.2 DATI CLIMATICI .................................................................................................................................................... 25 4.3 CONDIZIONI DI COMFORT INTERNO .......................................................................................................................... 27 5 DESCRIZIONE DELL’EDIFICIO RICORRENTE ............................................................................................................... 29 5.1 COMPONENTI D’INVOLUCRO................................................................................................................................... 29 5.2 IMPIANTI ............................................................................................................................................................ 31 5.2.1 Caldaia ........................................................................................................................................................ 31 5.2.2 Impianto di generazione di acqua calda per usi igienico-sanitari ............................................................... 33 5.2.3 Impianti di zona .......................................................................................................................................... 33 5.2.4 Altri componenti ......................................................................................................................................... 35 5.3 PROGRAMMI DI ATTIVITÀ ....................................................................................................................................... 35 5.3.1 Ventilazione ................................................................................................................................................ 35 5.3.2 Climatizzazione invernale............................................................................................................................ 36 5.3.3 Climatizzazione estiva ................................................................................................................................. 37 Definizione di zone termiche estive .......................................................................................................................... 38 Definizione dei programmi di climatizzazione e ventilazione estiva ........................................................................ 38 5.3.4 Programma di consumo dell’acqua calda sanitaria .................................................................................... 41 6 RISULTATI DELLE SIMULAZIONI ................................................................................................................................ 43 7 CONCLUSIONI ........................................................................................................................................................... 49 ABBREVIAZIONI ED ACRONIMI ......................................................................................................................................... 50 BIBLIOGRAFIA ................................................................................................................................................................... 50 3
ACCORDO DI PROGRAMMA MISE-ENEA Indice delle figure Figura 1: Investimenti nel comparto costruzioni anno 2017 ........................................................................... 6 Figura 2: Edifici residenziali italiani per classi di età (Fonte: ENEA) ................................................................. 6 Figura 3: Valori percentuali degli edifici a uso abitativo per epoca di costruzione (Fonte: ISTAT) .................. 7 Figura 4: Quota di edifici residenziali costruiti prima del 1981 nelle Regioni italiane ..................................... 7 Figura 5: Indicatori medi di consumo per destinazione d'uso (Fonte: ENEA) .................................................. 7 Figura 6: Tematiche relative all'OSC maggiormente discusse in letteratura, raggruppate in sette categorie (adattato da (Jin et al., 2018)). .......................................................................................................................... 9 Figura 7: Framework degli attuali e futuri temi di ricerca sull'OSC (Jin et al., 2018) ...................................... 10 Figura 8: Quota di consumi finali di energia per settore in Italia e nell’Unione Europea (UE28) ................... 12 Figura 9: Intensità energetica nel residenziale Italia-UE ................................................................................. 13 Figura 10: Consumi finali di energia per il settore residenziale in Italia e in UE ............................................. 13 Figura 11: Schema delle attività svolte nella prima annualità del progetto (2019) ........................................ 16 Figura 12: Edifici e complessi di edifici (val.% sul totale nazionale) ................................................................ 17 Figura 13: Superficie media delle abitazioni occupate da persone residenti (valori medi in m2) .................. 20 Figura 14: Modello dell’edificio di riferimento ................................................................................................ 21 Figura 15: Abitazioni occupate da persone residenti senza impianto di riscaldamento (%) .......................... 22 Figura 16: Tipologia installazione di riscaldamento ........................................................................................ 23 Figura 17: Tipo di combustibile o energia che alimenta l'impianto di riscaldamento .................................... 23 Figura 18: Dati relativi alla località designata in DesignBuilder....................................................................... 25 Figura 19: Template località ........................................................................................................................... 26 Figura 20: Caratteristiche del terreno ............................................................................................................ 26 Figura 21: Caratteristiche del terreno ............................................................................................................. 27 Figura 22: Rappresentazione schematica degli impianti di generazione e distribuzione per riscaldamento, condizionamento, e ACS .................................................................................................................................. 31 Figura 23: Rappresentazione schematica dell'impianto di generazione del calore per riscaldamento.......... 32 Figura 24: Variazione dell'efficienza della caldaia in funzione del carico........................................................ 32 Figura 25: Rappresentazione schematica dell'impianto di generazione del calore per acqua calda sanitaria 33 Figura 26: Rappresentazione schematica degli impianti di zona .................................................................... 34 Figura 27: Domanda energetica di input, relativa alle condizioni di design, per i condizionatori in funzione delle temperature di esercizio ......................................................................................................................... 35 Figura 28: Programma degli orari di accensione del riscaldamento per zona climatica ................................. 37 Figura 29: Risultati della procedura di analisi e ricerca volta alla definizione di un programma di funzionamento per ventilazione e condizionamento estivi ............................................................................ 40 Figura 30: Rappresentazione grafica del programma di consumo di acqua calda sanitaria .......................... 42 Figura 31: Distribuzione delle temperature medie annuali sul territorio italiano. Da meteobook.it ............ 43 Figura 32: Diagramma a scatola e baffi dell'EP invernale, suddiviso per zona climatica invernale ................ 45 Figura 33: Diagramma a scatola e baffi dell'EP estivo, suddiviso per zona climatica estiva ........................... 45 Figura 34: Risultati delle simulazioni dinamiche per una giornata estiva di riferimento, Palermo (zona climatica estiva F) ............................................................................................................................................ 47 Figura 35: Risultati delle simulazioni dinamiche per una giornata invernale di riferimento, Bologna (zona climatica invernale E)....................................................................................................................................... 48 4
Sommario In Italia circa il 55% degli edifici residenziali risale agli anni ‘60-‘70, e circa il 19,2% è stato realizzato in data antecedente al 1919: tuttora un quarto di queste costruzioni non ha subito interventi di ristrutturazione e riqualificazione energetica. Questo scenario denota un alto livello di inadeguatezza del parco edilizio esistente: oltre il 25% degli edifici registra consumi medi annuali nel range 160-220 kWh/m2*anno. Un mercato saturo, case esistenti obsolete e un ridotto potere d'acquisto sono i primi fattori che portano alla scelta di una profonda riqualificazione energetica degli edifici esistenti. Il progetto Ambiente Costruito si prefigge di migliorare tale condizione attraverso il ricorso a soluzioni di tipo modulare (Off-Site Construction - OSC) che consentano la posa in opera dell’isolamento esterno con sistemi a secco, garantendo contemporaneamente tempi rapidi di realizzazione, esecuzione in presenza di abitanti, limitazione di polveri nell’aria e costi contenuti. Il presente report mostra l’attività iniziale svolta da ENEA in merito all’individuazione di un edificio italiano definibile come “ricorrente”, sul quale sono state svolte numerose simulazioni energetiche in regime dinamico, finalizzate a individuare benchmarks di riferimento per l’intero territorio nazionale. 5
ACCORDO DI PROGRAMMA MISE-ENEA Introduzione Da fonti ufficiali, in Italia nel 2017 si è registrata nelle ristrutturazioni una spesa doppia rispetto al 2016, pari a 47 miliardi di euro, più del doppio rispetto ai 19 miliardi spesi per l'acquisto di nuove abitazioni. Gli investimenti in sola riqualificazione del patrimonio abitativo confermano una dinamica positiva, giungendo a rappresentare il 38% del valore degli investimenti in costruzioni. Rispetto al 2016, per gli investimenti in tale comparto si stima una crescita dello 0,5% in termini reali (ANCE, 2018). Figura 1: Investimenti nel comparto costruzioni anno 2017 Gli investimenti privati in costruzioni non residenziali segnano un aumento dell’1,5% in termini reali nel 2017. L’Italia ha una condizione molto particolare poiché circa il 55% delle costruzioni residenziali risale agli anni '60 ed il 19,2% a prima del 1919 (ISTAT): circa un quarto di questi edifici non ha mai subito interventi di ristrutturazione o riqualificazione. Da ciò emerge uno scenario molto particolare, che denota un alto livello di inadeguatezza del parco edilizio esistente: di questi edifici, oltre il 25% registra consumi annuali da un minimo di 160 kWh/m2 anno ad oltre 220 kWh/m2 anno (ISTAT). Figura 2: Edifici residenziali italiani per classi di età (Fonte: ENEA) 6
Figura 3: Valori percentuali degli edifici a uso abitativo per epoca di costruzione (Fonte: ISTAT) Figura 4: Quota di edifici residenziali costruiti prima del 1981 nelle Regioni italiane (Studio Confartigianato su dati ISTAT) Figura 5: Indicatori medi di consumo per destinazione d'uso (Fonte: ENEA) 7
ACCORDO DI PROGRAMMA MISE-ENEA Un mercato saturo, case esistenti obsolete e un ridotto potere d'acquisto sono i primi fattori che portano alla scelta di una riqualificazione energetica profonda degli edifici esistenti. Ma ci sono anche altri aspetti che incoraggiano la volontà di ottimizzare l'efficienza energetica e il benessere abitativo, concentrandosi sul recupero degli edifici esistenti; uno di questi aspetti riguarda, ad esempio, gli incentivi fiscali per il settore, che hanno dato un’enorme spinta al mercato delle costruzioni dando benefici sotto due aspetti molto diversi ma complementari: da un lato si è innescato un meccanismo di rinascita del settore della costruzioni e dall’altro il privato è stato invogliato a migliorare le condizioni di efficienza energetica dei propri immobili. Il mercato offre soluzioni prefabbricate per isolamento realizzate con diversi materiali ma, solitamente, questo tipo di sistemi ha costi più alti rispetto alla soluzione tradizionale. Inoltre, di volta in volta, si rende necessario il calcolo delle prestazioni energetiche (termo-igrometriche) finali per verificare il rispetto dei requisiti minimi previsti dalle vigenti normative. Ulteriore elemento da valutare, e che spesso viene tralasciato, è quello relativo alla risposta sismica di questi sistemi laddove la corrente normativa sismica per le costruzioni (NTC/2018 e Circolare Esplicativa 11/02/19) prescrivere che per gli elementi non strutturali devono essere adottati magisteri atti ad evitare la possibile espulsione sotto l’azione del sisma e che è necessario migliorare i collegamenti degli elementi non strutturali, sia alla struttura che tra loro. Sebbene gli interventi volti ad accrescere l’efficienza energetica generino un sicuro ritorno in termini economici e di benessere, l’attivazione di un processo spontaneo è spesso ostacolata, soprattutto negli interventi di piccola taglia, da diverse criticità: • elevati costi d’investimento iniziali legati soprattutto a spese fisse molto alte (costi di istruttoria delle pratiche edilizie, costo dei ponteggi, che aumenta all’aumentare del periodo di ristrutturazione …); • scarsa consapevolezza dei potenziali risparmi sia energetici che economici; • disomogeneità a livello territoriale di procedure e prescrizioni previste dagli strumenti urbanistici ed edilizi che disciplinano e regolano gli interventi di riqualificazione; • limitata conoscenza di soluzioni innovative; • diffidenza verso tempi di ritorno medio-lunghi; • scarsa propensione ai prestiti per riqualificazione da parte delle banche; • scarso interesse delle ESCo per interventi medio-piccoli; • resistenza, sulla base di ragioni pratiche ed economiche, rispetto all’eventualità di lasciare l’abitazione per il periodo di esecuzione degli interventi; • preoccupazione verso la dispersione e inalazione di polveri durante i lavori (nel caso in cui si rimanga nell’abitazione); • nei casi condominiali, rischi legati ad eventuali morosità post intervento. La realizzazione fuori opera, che caratterizza l’Off-Site Construction (OSC), attraverso un controllo maggiore dei diversi parametri in gioco consente importanti vantaggi, quali: 1. possibilità di integrazione della facciata con altre funzioni; 2. rapidità di posa in opera; 3. abbattimento di polveri e rumori in cantiere; 4. flessibilità nella scelta modulare; 5. applicazione su edifici esistenti. “Costruzione fabbricata”, “costruzione off-site”, “produzione off-site” sono alcuni termini usati in letteratura per descrivere la costruzione prefabbricata, il cui intento è principalmente quello di spostare parte importante dello impegno realizzativo dal sito di utilizzo all'ambiente controllato e più preciso dell'impianto di produzione. L’edilizia off-site riduce, quindi, l’intensità delle lavorazioni in cantiere per localizzarla principalmente in fabbrica, consentendo una riorganizzazione di tecnologie e processi volta a una maggiore efficienza e qualità. Questa metodologia, tra l’altro, tende a minimizzare gli sprechi, eliminando il concetto stesso di scarto. L’edilizia off-site è attenta alla standardizzazione, all’analisi dei costi e delle prestazioni nell’intero ciclo di vita dell’edificio, pertanto mira a ottimizzare l’intera filiera. L’edilizia off-site apre la strada a molteplici applicazioni, dal nuovo costruito, alla riqualificazione, all’ampliamento. Ulteriore vantaggio, connesso all’impiego di tecnologie di posa in opera “a secco”, è dato 8
dal fatto che una facciata realizzata con questa metodologia può essere oggetto di “aggiornamenti” tecnologici senza grandi impatti, in maniera rapida e con costi contenuti. Sebbene sia ancora in una fase applicativa iniziale in molti Paesi, l’OSC ha attirato negli ultimi anni molta attenzione, in ambito sia accademico sia industriale, grazie alle sue potenzialità nel raggiungimento di migliori prestazioni di progetto, come ad esempio la riduzione della durata del progetto e degli scarti di costruzione, e sta sempre più prendendo piede soprattutto nei Paesi in via di sviluppo (Hong et al., 2018). Diversi studi hanno confrontato le prestazioni dell’OSC e dei metodi di costruzione convenzionali in termini di costo (Hong et al., 2018) di prestazioni energetiche (Hong, 2016) e di sostenibilità complessiva del processo (Hewage, 2017). L'OSC si fonda sulla modularità dei prodotti, che vengono prefabbricati e poi assemblati in cantiere, che è a sua volta resa possibile da un cambio di paradigma nelle attività di progettazione, produzione, ottimizzazione della supply chain e valutazione del ciclo di vita (Sonego et al., 2018), le quali assumono connotazioni tipiche della manifattura in generale e dell’automotive in particolare. A rafforzare il legame esistente tra edilizia e manifattura nell’OSC esistono una serie di temi di ricerca e innovazione emergenti comuni ai due ambiti, come l’impiego di tecnologie informatiche (ad es. il Building Information Modelling, BIM), la realizzazione di progetti integrati (Integrated Project Delivery, IPD) e la sostenibilità ambientale. Figura 6: Tematiche relative all'OSC maggiormente discusse in letteratura, raggruppate in sette categorie (adattato da (Jin et al., 2018)). 9
ACCORDO DI PROGRAMMA MISE-ENEA Figura 7: Framework degli attuali e futuri temi di ricerca sull'OSC (Jin et al., 2018) Valutando le Aree di Ricerca Esistenti e le attuali Tematiche di Ricerca (Figura 6 e Figura 7) è possibile prevedere scenari sui quali muoversi al fine di trovare l’indirizzo più corretto per la ricerca futura. Dal punto di vista del processo, inoltre, si possono raggiungere ulteriori importanti obiettivi: • stabilizzare i processi produttivi, abbattendo le incertezze legate alla realizzazione dei progetti. La minore variabilità consente un maggior rispetto dei cronoprogrammi, con un considerevole aumento della precisione, maggiore affidabilità dei beni prodotti, tracciabilità dei componenti, semplificazione e riduzione delle attività manutentive. Alcuni studi in merito, condotti da RICS (Royal Institution of Chartered Surveyors), mostrano come le tecnologie tradizionali consentano il rispetto dei tempi per circa il 63% dei casi, valore che con l’edilizia off-site cresce fino al 96%; • rispettare il budget, riducendo sensibilmente extra-costi che risultano fisiologici in un intervento con tecniche di tipo tradizionale. Dallo studio RICS (RICS, 2018) emerge un rispetto del budget del 49% con tecniche tradizionali, del 94% con edilizia off-site; • riduzione dei costi fino al 25%; • consentire “personalizzazioni” spesso onerose dal punto di vista tecnico ed economico. 10
2 Obiettivi del progetto L’obiettivo principale del progetto è creare sistemi utili alla replicabilità, su larga scala, di moduli per la riqualificazione energetica delle facciate di edifici esistenti che possano essere: sostenibili in termini energetici e ambientali, efficaci dal punto di vista prestazionale, facili e rapidi da posare, sicuri, idonei ad accedere a incentivi nazionali e locali con procedure semplificate. In funzione dell’analisi menzionata nel paragrafo precedente, che coinvolge le Aree di Ricerca Esistenti e le attuali Tematiche di Ricerca, si mira a redigere un catalogo di configurazioni costruttive standard (predefinite) per sistemi d’isolamento di facciata, da applicare a edifici esistenti. Tali configurazioni dovranno tener conto dell’intera filiera di produzione, dalla progettazione e produzione dei componenti all’assemblaggio e installazione, fino alla valutazione delle effettive prestazioni energetiche e sismiche, affinché il catalogo includa tutte le informazioni necessarie per la scelta e l’installazione della soluzione più adatta, senza necessità di ulteriori attività di progettazione o pianificazione. Le configurazioni individuate saranno molteplici, e sarà messo a punto uno strumento (matrice dinamica di opzioni) per consentire di associare a ciascuna tipologia di edificio un numero ristretto di configurazioni standardizzate “consigliate”. L’individuazione di un numero ristretto di configurazioni ideali predefinite e l’ottimizzazione della relativa supply chain consentiranno di abbattere notevolmente i costi di produzione, progettazione e installazione. Le prestazioni delle diverse configurazioni che saranno valutate e descritte all’utente non saranno solo quelle energetiche, ma anche quelle sismiche (attraverso un’analisi che preveda uno specifico studio degli ancoraggi) e gestionali-manutentive (facilità tecnico-economica di effettuare interventi di manutenzione). Per alcune delle configurazioni del catalogo si implementeranno soluzioni che prevedono l’integrazione del sistema di distribuzione dell’impianto termico, in modo tale da agevolare interventi manutentivi o successive modifiche impiantistiche (ad esempio il passaggio da sistemi autonomi a sistemi di riscaldamento condominiali centralizzati) e quindi abbattere futuri costi di gestione e manutenzione. I benefici conseguibili a valle di questo processo possono essere sintetizzati in una maggiore rapidità di esecuzione della costruzione, minore spreco di materiali, possibilità di riuso dei componenti demoliti, riduzione nell’impiego di mano d’opera, miglioramento prestazionale dell’edificio, razionalizzando e riducendo i consumi energetici globali dell’intera filiera. Attraverso quest’attività si vuole dare, quindi, un impulso alle esperienze di industrializzazione del settore delle costruzioni, ancora scarsamente diffuse in Italia, orientandole verso una produzione realizzata quasi totalmente in stabilimento e incentrata su concetti di sostenibilità, decarbonizzazione, controllo di qualità del prodotto ed economia circolare. Il processo produttivo integrato alla progettazione globale dell’intervento consentirà di ottenere prodotti/sistemi certificati e ottimizzati sotto i profili energetico/ambientali e di sicurezza strutturale/sismica. Oltre all’individuazione di dettagli tecnici e costruttivi che consentano un grado elevato di flessibilità nella progettazione architettonica, si porrà particolare attenzione ad aspetti legati alla cantierizzazione dei lavori al fine di ottimizzare tempi e costi di realizzazione. Il catalogo che sarà realizzato nell’ambito del progetto non vuole essere una mera raccolta di possibili soluzioni ma mira a costituire un’interfaccia dinamica con l’utente, che, attraverso l’inserimento di alcune opzioni all’interno di una matrice predefinita (zona climatica, tipologia costruttiva, integrazione impiantistica…), potrà ottenere in modo semplice e rapido una o più soluzioni adatte alle sue esigenze, che assicurino efficacia, sicurezza e possibilità di accesso a benefici fiscali. L’idea progettuale non si ferma, però, alla sola ottimizzazione del processo di scelta da parte dell’utente, ma si sposta su una visione più ampia che comprenda l’ottimizzazione del processo produttivo e delle fasi di cantiere. Tutto ciò con lo scopo di abbattere i costi di produzione, i costi legati al cantiere (occupazione suolo pubblico, affitto del ponteggio, costi legati al giorno/uomo…) senza tralasciare l’abbattimento dei disturbi legati alla fase di ristrutturazione (spostamento degli abitanti, polveri, rumori per periodi prolungati…). Gli obiettivi del progetto sono fortemente coerenti con i piani di azione ambientale e, soprattutto, di efficienza energetica emanati a livello nazionale. In particolare, uno degli obiettivi nazionali punta alla 11
ACCORDO DI PROGRAMMA MISE-ENEA riduzione dei consumi energetici attraverso una serie di azioni mirate all’efficientamento energetico del parco edilizio esistente, nonché alla realizzazione di nuovi edifici con target di consumo quasi zero (Misura nZEB – nearly Zero Energy Buildings dei Decreto 102/2014, che recepisce la Direttiva Europea 27/2012 e i DM 26/06/2015, che recepiscono la Direttiva UE 31/2010 sulla prestazione energetica degli edifici). Lo sviluppo di prodotti e sistemi con prestazioni più alte rispetto a quelle disponibili a oggi sul mercato consentirà di rispondere in modo efficace alle nuove richieste di efficienza energetica anche tenendo conto del fatto che le soluzioni sviluppate potranno garantire, in maniera integrata, vantaggi di natura energetica, ambientale e sismica. 2.1 Impatti sul sistema elettrico e benefici attesi La comparazione europea dei bilanci energetici mostra che in Italia il trasporto determina il 33,7% dei consumi di energia, il settore residenziale il 27,8%, l’industria il 22,6% e i servizi il 13,3%. L’Italia presenta una quota più elevate rispetto all’UE28 di 2,1 punti percentuali nel residenziale e di 0,5 punti nei trasporti, mentre registra una quota inferiore di 2,4 punti nell’industria e di 0,2 punti nei servizi. Figura 8: Quota di consumi finali di energia per settore in Italia e nell’Unione Europea (UE28) L’intensità energetica del settore residenziale nel lungo periodo presenta una tendenza alla crescita: tra il 2000 e il 2016 il rapporto tra consumi energetici e spesa delle famiglie sale del 14,6%, mentre nello stesso periodo nell’Unione Europea scende del 19,3%. In Italia si evidenzia un rallentamento della domanda di energia del residenziale dovuto principalmente agli investimenti sostenuti usufruendo degli incentivi fiscali. Sui consumi energetici del settore residenziale pesa moltissimo la vetustà dello stock edilizio esistente: oltre la metà degli edifici sono stati costruiti prima degli anni ‘70, antecedenti agli shock energetici del 1973 e del 1979 e pertanto costruiti senza alcuna regola legata al risparmio energetico. 12
Figura 9: Intensità energetica nel residenziale Italia-UE Figura 10: Consumi finali di energia per il settore residenziale in Italia e in UE È prassi consolidata che i consumi termici per la climatizzazione invernale possano essere ridotti attraverso soluzioni di isolamento termico dall’esterno. Le soluzioni OSC seguono il medesimo principio con il significativo vantaggio di standardizzare soluzioni efficienti sia dal punto di vista termico e sismico sia dei costi di produzione. Questa categoria di prodotti può, inoltre, favorire la concorrenza nel mondo delle costruzioni, consentendo agli edifici di raggiungere standard energetici e funzionali più elevati. La tecnologia, oltre i risultati attesi nell’ambito del progetto, consente di coinvolgere una realtà industriale molto ampia, che include rappresentanti del mondo delle costruzioni, realtà industriali ma anche ESCo e società di servizi. Dato di rilievo è che, agendo sugli strati più esterni dell’involucro edilizio, i sistemi sviluppati possono essere utilizzati con proficuità sia nei nuovi edifici sia nel caso di ristrutturazioni, leggere e pesanti e riqualificazioni, consentendo anche l’integrazione dei sistemi di distribuzione degli impianti (elemento di grande rilievo nei casi di ristrutturazione importante di primo livello). Esiste un potenziale di 27 milioni di abitazioni residenziali (unità immobiliari) in Italia, più un settore del terziario in continua espansione, su cui intervenire in modo efficace con soluzioni innovative che spingono sempre più verso gli edifici a consumo quasi zero (nZEB). Si aggiunga il potenziale indotto generato 13
ACCORDO DI PROGRAMMA MISE-ENEA dall’edilizia scolastica, che in questi anni riveste sempre di più un ruolo centrale nella riqualificazione del parco edilizio pubblico. Il progetto dimostrerà anche le rilevanti ricadute ambientali derivanti dallo sviluppo e dall’applicazione della tecnologia in esame. La riduzione dei fabbisogni di climatizzazione è associata a una riduzione dei consumi di energia primaria e di emissioni di gas climalteranti. Volendo, inoltre, considerare i benefici attesi per gli utenti finali civili, la maggiore diffusione di interventi di Riqualificazione, grazie a una migliore e più semplice implementazione delle tecniche di edilizia off-site, consentirebbe di ridurre i costi delle bollette energetiche (dati ARERA indicano un aumento delle tariffe elettriche di circa 3% annuo: https://www.arera.it/it/com_stampa/07/cs_070928.htm) e di ottenere importanti risparmi in termini di fabbisogno energetico dell’edificio, con conseguente riduzione del consumo di energia primaria e di potenza installata. Si può, altresì, affermare che l’efficacia delle soluzioni che saranno sviluppate dal progetto risulterà valida in tutte le condizioni climatiche italiane; pertanto l’applicazione su larga scala potrebbe costituire una consistente fonte di risparmio energetico e i benefici derivanti sarebbero molteplici: • profitto diretto delle aziende generato dall’abbattimento dei costi di produzione; • spinta verso l’aumento delle riqualificazioni energetiche di edifici e condomini esistenti; • concretizzazione di opportunità e iniziative contro la disoccupazione; • riduzione dei consumi petroliferi e della dipendenza energetica dall’estero. 14
3 Descrizione delle attività svolte e risultati L’attività 2019 svolta dal gruppo di lavoro ENEA ha coinvolto numerose risorse, ognuna delle quali ha avuto un ruolo specifico per l’ottenimento dei risultati previsti a conclusione della prima annualità. Molteplici sono state le sinergie tra le parti ed ognuno ha contribuito all’ottenimento degli obiettivi prefissati. Di seguito si elencano le risorse ENEA coinvolte e si esplicitano le attività svolte: MARIA-ANNA SEGRETO (Responsabile del WP2): si è occupata della scrittura del WP2, di definirne tempi e attività, di valutare gli impatti e i benefici del progetto sia a breve che a lungo termine. Ha definito gli output della modellazione e in che termini devono essere definiti i benchmarks di riferimento sui fabbisogni. Ha coordinato le diverse attività 2019 fungendo da collettore dei diversi risultati. Ha partecipato attivamente all’elaborazione del Rapporto finale e ne ha validato la stesura definitiva. FRANCESCO BALDI: si è occupato, nella definizione dell’edificio ricorrente, dell’esame della parte impiantistica relativa al riscaldamento, raffrescamento e produzione di acqua calda sanitaria. Ha, inoltre, supportato la parte di modellazione istruendo delle procedure ad hoc per le simulazioni multiple e definendo i programmi di funzionamento degli impianti. Ha contribuito alla stesura del Rapporto finale. ANTONIO DI MICCO: ha supportato il team che si è occupato della modellazione con ricerca di dati storici in bibliografia e attraverso lo studio della normativa tecnica di riferimento per la parte relativa agli impianti meccanici. ILARIA FALCONE: ha supportato il team di lavoro attraverso una precisa e approfondita ricerca bibliografica sul parco edilizio esistente italiano. ENRICO GENOVA: si è occupato dello studio delle parti d’involucro con l’obiettivo di definire una soluzione “ricorrente” italiana da usare come benchmark di riferimento per la modellazione dei fabbisogni energetici dell’edificio tipo. Ha supportato il collega Baldi nel definire i programmi di funzionamento degli impianti in fase d’uso. Ha partecipato alla stesura del Rapporto finale. ALESSANDRA GUGLIANDOLO: si è occupata della definizione dell’edificio ricorrente, della relativa modellazione e simulazione in regime dinamico. Ha inoltre analizzato quali fossero le condizioni di comfort interno più rappresentative del caso in esame effettuando anche una specifica analisi sui sistemi schermanti e sulla ventilazione naturale. Con il collega Genova, ha collaborato allo studio sui componenti d’involucro. Ha partecipato alla stesura del Rapporto finale. ANNA MARZO: si è occupata di verificare ed analizzare i dati relativi alla struttura di riferimento individuata accompagnando un’analisi delle normative sismiche cogenti al fine di ottenere un quadro preciso del contesto in cui dovrà essere inserito il telaio da progettare per l’esecuzione delle tavole vibranti (attività che si svolgeranno nella seconda e terza annualità). MATTIA RICCI: si è occupato di organizzare e coordinare il gruppo di lavoro che progetterà le attività relative allo studio degli ancoraggi. Ha, inoltre, verificato le attuali norme tecniche relative ai sistemi di ancoraggio. CARLO ROMEO: ha supportato il team che si è occupato della modellazione attraverso studi e ricerche mirate alla conoscenza approfondita del parco edilizio italiano col fine di definire tipologie costruttive ricorrenti. IVAN ROSELLI: si è occupato di verificare ed analizzare i dati relativi alla struttura di riferimento individuata al fine di ottenere un quadro preciso del contesto in cui dovrà essere inserito il telaio da progettare per l’esecuzione delle tavole vibranti (attività che si svolgeranno nella seconda e terza annualità). FERNANDO SAITTA: in supporto al collega Rosselli, si è occupato di verificare ed analizzare i dati relativi alla struttura di riferimento individuata al fine di ottenere un quadro preciso del contesto in cui dovrà essere inserito il telaio da progettare per l’esecuzione delle tavole vibranti (attività che si svolgeranno nella seconda e terza annualità). ALESSANDRO TALLINI: ha supportato il collega Baldi, nell’individuazione di soluzioni impiantistiche ricorrenti sul territorio italiano. 15
ACCORDO DI PROGRAMMA MISE-ENEA SALVATORE TAMBURRINO: ha supportato il team che si è occupato della modellazione con ricerca di dati storici in bibliografia e attraverso lo studio della normativa tecnica di riferimento per la parte relativa all’involucro edilizio. CONCETTA TRIPEPI: si è occupata, in supporto alla collega Marzo, di verificare ed analizzare i dati relativi alla struttura di riferimento individuata accompagnando un’analisi delle normative sismiche cogenti al fine di ottenere un quadro preciso del contesto in cui dovrà essere inserito il telaio da progettare per l’esecuzione delle tavole vibranti (attività che si svolgeranno nella seconda e terza annualità). Figura 11: Schema delle attività svolte nella prima annualità del progetto (2019) 4 Definizione dell’edificio ricorrente 4.1 Dati atti a determinare il modello L’oggetto dello studio è l’identificazione di un edificio residenziale che sia rappresentativo di gran parte del parco edilizio italiano e sul quale sia possibile fare delle valutazioni termiche. Al fine di definire il modello del suddetto edificio, si è scelto di riferirsi al censimento generale della popolazione e delle abitazioni condotto dall’'Istituto Nazionale di Statistica (ISTAT) in Italia nel 2011 (15° del 9 ottobre 2011)1. Il 15° Censimento generale contiene informazioni a livello subcomunale, sugli indici demografici e sociali della popolazione con dimora abituale in Italia e sul patrimonio edilizio a destinazione residenziale ad esso riferito. I questionari fotografano la popolazione italiana al 9 ottobre 2011. I dati, ricavabili dagli stessi questionari, sono presentati su tavole multidimensionali, che possono comporre tabelle e grafici personalizzati al variare dei filtri scelti. 1 I dati sono consultabili all’indirizzo http://dati-censimentopopolazione.istat.it/. “Il censimento della popolazione e delle abitazioni rileva, per ciascun comune, la totalità delle persone dimoranti abitualmente e consente di conoscere la struttura demografica e sociale dell’Italia e dei suoi territori. Il 9 ottobre 2011 è la data di riferimento del 15° Censimento generale della popolazione e delle abitazioni [...]”. Tra i moduli del questionario sono compresi un “Modello di edificio” (http://siqual.istat.it/SIQual/files/CP.ED.pdf?ind=7777789&cod=4758&progr=1&tipo=4) e un “Foglio di famiglia” (http://siqual.istat.it/SIQual/files/CP.1_3P.pdf?ind=7777789&cod=4754&progr=1&tipo=4), nei quali sono richieste informazioni sull’edificio e sull’abitazione. 16
Le elaborazioni dei dati si riferiscono alle cinque macro-aree “Nord-Ovest”, “Nord-Est”, “Centro”, “Sud” e “Isole”, così composte: - Nord-Ovest: Liguria, Lombardia, Piemonte, Valle d'Aosta; - Nord-Est: Emilia-Romagna, Friuli-Venezia Giulia, Trentino-Alto Adige, Veneto; - Centro: Lazio, Marche, Toscana ed Umbria; - Sud: Abruzzo, Basilicata, Calabria, Campania, Molise, Puglia) - Isole: Sardegna, Sicilia. Dai dati del censimento del 2011 emerge che in Italia esistono 14.452.680 edifici e 63.115 complessi di edifici, per un totale di 14.515.795. Di questi il 25,2% si trova al Sud, il 22, 6 % nel Nord-Ovest; il 19,2% nel Nord-Est; il 16,9% al Centro e il restante 16,1% nelle Isole. La gran parte degli edifici sono concentrati in due regioni: la Lombardia (12,2%) e la Sicilia (11,9%) (Figura 12). Figura 12: Edifici e complessi di edifici (val.% sul totale nazionale) Fonte: elaborazione su dati Istat del Centro Studi sull’Economia Immobiliare –CSEI Tecnoborsa 4.1.1 Definizione dell’edificio ricorrente Esaminando le varietà degli edifici è emerso che in Italia l’88,5% sono destinati a uso residenziale. In Italia gli edifici residenziali sono 12.187.698. Dai dati del censimento del 2011 emerge che, per il patrimonio residenziale nazionale, il periodo di più intensa attività edilizia è il decennio 1971-1980 (2.177.651 edifici residenziali); poco inferiore è il numero di costruzioni del decennio 1961-1970 (2.050.833); seguono il periodo del dopoguerra, 1946-1960 (1.700.836), e il decennio 1981-1990 (1.462.767). 17
ACCORDO DI PROGRAMMA MISE-ENEA In tutte le “macroregioni” del Paese il patrimonio edilizio residenziale si concentra soprattutto nei decenni 1961-1970 e 1971-1980. Nell’Italia settentrionale (“Nord-Ovest” e “Nord-Est” secondo le ripartizioni dell’ISTAT) il numero di edifici è leggermente maggiore nel periodo 1961-1970, ma il decennio successivo predomina sia nell’Italia centrale (“Centro”) sia in quella meridionale (“Sud” e “Isole”). In Italia gli edifici residenziali sono 12.187.698 e la maggiore concentrazione si trova in Sicilia e in Lombardia, dove la densità abitativa è strettamente correlata con la distribuzione della popolazione. In Italia negli edifici a uso residenziale in media ci sono 2,6 abitazioni; da un’indagine legata al territorio emerge una certa disomogeneità legata agli sviluppi urbanistici del territorio in esame. Nel caso dei Comuni “maggiori” il numero delle abitazioni è decisamente più elevato: a Milano 15; a Torino 12,4; a Genova 10,4; a Roma 9,2; a Napoli 8,9; a Palermo 6,2. Al fine di determinare la distribuzione della popolazione residente in edifici a uso abitativo si è evinto che in Italia il 18,8 % risiede in fabbricati con un solo interno, il 16,6% in quelli con due interni, il 34,4% fra tre e dieci interni e il restante 30,1% in quelli con più di dieci interni. Dal momento che il numero degli interni non dà un’indicazione di massima sulle modalità costruttive degli edifici oggetto dell’indagine, si è scelto di fare un’analisi qualitativa in funzione dell’epoca di costruzione degli edifici presenti sul territorio nazionale. Dai dati del censimento emerge che il 70% della popolazione italiana risiede in edifici che hanno più di 30 anni e nello specifico e: il 9,4% della popolazione in abitazioni costruite prima del 1919; il 7,9% tra il 1919 ed il 1945, il 13,2% tra il 1946 e il 1960; il 38,8% tra 1961 e il 1980; il 22,3% tra il 1981 e il 2000 e il restante 8,4% tra il 2001 e il 2011. L’edificio residenziale preso a modello per questa indagine sarà, dunque, quello che fa riferimento alle tecniche costruttive diffuse nel decennio 1971-1980, poiché risulta il più rappresentativo. Dal punto di vista delle tecniche costruttive, questo periodo risulta abbastanza omogeneo in ambito residenziale. La scelta strutturale ricade sulle strutture intelaiate in calcestruzzo armato con tamponamenti in laterizi forati, di cui si comincia a definire una grande varietà di tipologie, funzione dell’indice di foratura e della fornace di produzione. Nel parco edilizio residenziale italiano i fabbricati a destinazione residenziale più numerosi sono quelli a due elevazioni (5.981.256), seguiti da quelli a tre (2.948.147) e un piano fuori terra (2.083.389). Solo 1.174.906 risultano essere le costruzioni residenziali con almeno quattro piani fuori terra. Per rivolgere la ricerca ad agglomerati urbani con modelli edilizi largamente diffusi, si è concentrata l’attenzione su centri urbani di grandi dimensioni. 18
Alla luce dei dati del censimento, si sono analizzate le distribuzioni edilizie in funzione dell’elevazione dei fabbricati, circoscrivendo l’indagine alle città italiane più popolose2. Città 1 elevazione 2 elevazioni 3 elevazioni 4 o più elevazioni Roma 17.523 34.802 29.998 54.698 Milano 2.940 6.043 5.503 28.494 Napoli 4.807 12.197 7.272 16.479 Torino 3.217 7.368 4.446 21.127 Palermo 7.533 16.558 9.274 12.928 Genova 2.771 7.600 5.573 13.724 Bologna 510 4.788 5.144 11.707 Firenze 3.170 11.102 6.813 9.985 Bari 4.838 6.730 4.463 7.221 Catania 9.438 8.739 5.279 5.532 Il gruppo più rappresentativo è quello con edifici con più di quattro elevazioni, ad eccezione di Palermo e Firenze, dove questo gruppo risulta essere solo al secondo posto subito dopo gli edifici con due piani fuori terra. Nel caso di queste due città, si prende nota del fatto che la maglia urbanistica risente della storia dello sviluppo sociale della città. Nel caso di Catania, invece, gli edifici più numerosi sono quelli a una e a due elevazioni. I dati del censimento non consentono di analizzare la consistenza degli edifici in funzione della posizione rispetto al centro dell’aggregato urbano; si assume dunque che l’edificio da adoperare nella definizione di un esempio di riferimento abbia almeno quattro elevazioni. Dai dati del 15° Censimento è possibile filtrare i risultati relativi al numero di abitazioni in funzione della “classe di superficie”3. Si ricava così che in Italia le abitazioni occupate da residenti hanno una dimensione media di 99,3 mq; nel Nord-Est questo valore raggiunge i 105,2 mq e nelle isole i 100,9 mq; al contrario nel Nord-Ovest e nel Centro questi valori risultano rispettivamente 95,8 mq e 97,3mq. Suddividendo questi valori per numero di edifici si ottiene che il gruppo più rappresentativo è quello delle abitazioni con superficie4 compresa fra 80 m2 e 99 m2 (6.081.472 - 25,2%); seguono la classe di superficie relativa a 60÷79 m2 (4.993.602 – 20,7%), quella con abitazioni comprese tra 100÷119 m2 (4.192.549 – 12%); il 20,7% corrisponde alle abitazioni con una superficie inferiore ai 60 m2 e l’11,3% a quelle con una superficie di oltre 150 m2. La classe di superficie 80÷99 m2 è, dunque, la più numerosa in ciascuna “macroregione”; di seguito viene mostrato un grafico relativo alla distribuzione media delle aree delle abitazioni suddivise per regione. 2 Limitando l’interrogazione al decennio 1971-1980, si ottiene il numero complessivo di edifici ma non la distinzione per numero di piani. 3 Questi dati si ottengono attraverso l’interrogazione “Abitazioni occupate da persone residenti”/”Abitazioni per numero di stanze e classi di superficie dell’abitazione (mq)” 4 Nel modulo “Foglio di famiglia” del censimento, a pagina 6, si specifica di considerare come superficie dell’abitazione “la superficie del pavimento di tutte le stanze dell’abitazione, compresi i bagni, le cucine, i vani accessori ed esclusi i terrazzi, i balconi e le pertinenze (come, ad esempio, cantine, soffitte, garage e box auto)” (http://siqual.istat.it/SIQual/files/CP.1_3P.pdf?ind=7777789&cod=4754&progr=1&tipo=4). 19
ACCORDO DI PROGRAMMA MISE-ENEA Figura 13: Superficie media delle abitazioni occupate da persone residenti (valori medi in m2) Fonte: elaborazione su dati Istat del Centro Studi sull’Economia Immobiliare – CSEI Tecnoborsa Nel Nord-Ovest si osserva la percentuale più alta di residenze con superficie inferiore a 80 m2, nel Nord-Est la più alta di abitazioni sopra i 149 m2; nella macroregione “Centro” è seconda la classe 60÷79 m2, mentre al Sud e nelle Isole questa posizione è occupata dalla classe 100÷119 m2. I dati del censimento racchiudono in un unico gruppo gli edifici, definiti dal filtro “SCALA”, costituiti da almeno sedici abitazioni. Al fine di stabilire il numero delle unità immobiliari da prendere in considerazione e far sì che questi siano suddivisibili nei vari piani in numero pari (identificazione del piano tipo) si è effettuata una nuova interrogazione con filtri. Si sono analizzati i risultati relativi a “Edifici residenziali” / “Edifici residenziali per numero di scale e numero di piani fuori terra”, circoscritti ai fabbricati con “4 e più piani”. Sia a livello nazionale sia nelle singole “macroregioni”, fra i tre gruppi rilevati nel censimento, si sono considerate le seguenti condizioni: “nessuna scala”, “una scala”, “due o più scale”. Il gruppo maggiormente rappresentativo risulta essere quello degli edifici con un accesso/scala, considerazione che trova conferma anche nelle dieci città più popolose, sempre limitando l’interrogazione agli edifici con più di quattro piani. Dalla progettazione secondo regola d’arte e considerazioni relative all’architettura e alla composizione architettonica si è assunto che un corpo scala dia accesso a un numero di unità immobiliari compreso fra due e quattro. 20
4.1.2 Riepilogo delle caratteristiche geometriche del modello Le caratteristiche del modello edilizio, individuate anche attraverso l’analisi e l’interpretazione dei dati del Censimento generale del 2011, possono essere così riassunte: - l’edificio, privo di piano cantinato, si sviluppa per sei elevazioni ed è dotato di un solo corpo scala, a servizio di tre unità immobiliari per piano (incluso quello terraneo); - ciascuna unità immobiliare ha una superficie utile di 90 m2, intermedia fra i valori estremi che definiscono la classe di superficie 80÷99 m2; - il corpo scala-ascensore e il disimpegno d’accesso agli appartamenti hanno un’area di sedime5 complessiva di 30 m2; - la superficie lorda di piano è pari a 1,2 volte la superficie netta, cioè 360 m2; - l’edificio è profondo 12 m (di conseguenza la larghezza è pari a 30 m); - l’altezza netta di piano è pari a 2,70 m, valore minimo dell’altezza interna dei locali d’abitazione stabilito con D.M. del 5 luglio 1975; - lo spessore dei solai di piano è pari a 30 cm al finito (in tal modo l’interpiano risulta pari a 3 m); - la copertura è piana; - la superficie degli infissi non è inferiore a 1/8 della superficie di pavimento, come stabilito nell’articolo 5 del D.M. del 5 luglio 1975 in merito alla superficie finestrata apribile. 4.1.3 Definizione delle zone termiche Nel definire l’oggetto della simulazione si è ipotizzato che lungo una delle facciate maggiori dell’edificio si affacci il corpo scala. In un primo momento i lati minori dello stesso sono stati rivolti rispettivamente a sud e ad est ma in seguito si è deciso di ruotare il modello per verificare come mutavano i risultati al variare dell’esposizione. SI assume che l’edificio sia privo di rientranze e aggetti; per ciò che riguarda l’ombreggiamento si è proceduto ad analizzare il modello con e senza la presenza di edifici limitrofi. Figura 14: Modello dell’edificio di riferimento 5 Si assume: lunghezza scala = (3,2+1,2+1,2+1) m; larghezza scala = (1,2+1,2+0,3) m; ascensore = (2∙2) m 2; disimpegno = (2∙4) m2. 21
ACCORDO DI PROGRAMMA MISE-ENEA Dai dati del 15 ° Censimento generale delle abitazioni e della popolazione si evince che, in Italia, il 91,4 % delle abitazioni occupate da persone residenti siano dotate di un impianto di riscaldamento; questo dato varia in stretta correlazione con la regione di riferimento. Risulta evidente, infatti, come nelle regioni meridionali e nelle isole questo dato presenti un picco al ribasso, probabilmente legato alla presenza di abitazioni stagionali in località di villeggiatura estiva (Figura 15). Figura 15: Abitazioni occupate da persone residenti senza impianto di riscaldamento (%) Fonte: elaborazione su dati Istat del Centro Studi sull’Economia Immobiliare – CSEI Tecnoborsa Di queste abitazioni termo-dotate, il 65,1% ha un impianto di riscaldamento autonomo; il 20,2 % un impianto centralizzato, il 13,5% ha apparecchi singoli fissi che riscaldano alcune parti dell’abitazione e l’8,9% ha apparecchi singoli fissi che riscaldano la maggior parte dell’abitazione6. Tuttavia, il modello edilizio da sottoporre a simulazione è più specificatamente rappresentativo degli agglomerati urbani con una forte urbanizzazione. Da questo punto di vista si osserva che gli impianti di riscaldamento centralizzati a uso di più abitazioni sono molto diffusi nelle maggiori città italiane: Milano (77,2%), Torino (70,8%), Genova (49,8%) e Roma (46,5%). Le altre tipologie di impianti di riscaldamento sono comunque poco presenti in ognuna delle 5 macroregioni, e di conseguenza a livello nazionale (Figura 16). 6 La somma delle percentuali delle abitazioni occupate da almeno una persona residente per tipologia di impianto di riscaldamento supera il 100% perché in un’unità abitativa possono essere presenti più istallazioni (Fonte: Tecnoborsa). 22
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